一种AC/DC功率转换器的制作方法

本发明涉及功率转换器，具体而言，本发明涉及一种ac/dc功率转换器。

背景技术：

1、5g提供了先进的连接性，能够在不同场景和设备(例如，智能手机、平板电脑和屏幕更大的笔记本电脑)中融合一切。这些设备需要更多的功率，电池寿命和充电的压力不断增加。因此，对下一代ac/dc适配器的需求不断增加，以便为更大的锂离子电池快速充电。高端手机/智能设备的当前趋势是更快的充电速度。因此，需要功率更大、尺寸更小、重量更轻的ac/dc适配器。早些时候，ac/dc适配器的充电范围为5瓦到50瓦。最近，ac/dc适配器的充电功率如今在高端的优质设备上增加到120w或更高。然而，如今的笔记本电脑功率已经达到50-60w，配备了大型笨重的充电器、隔离式单级功率因数校正(power factorcorrection，pfc)ac/dc转换器以及氮化镓(gallium nitride，gan)等宽带隙半导体材料，从而有机会提供高功率快速充电，外形更小、重量更轻。

2、图1a至图1c示出了根据现有技术的桥式两级ac/dc转换器、桥式单级ac/dc转换器和无桥单级ac/dc转换器。pfc ac/dc转换器中最流行的ac/dc转换器拓扑是桥式两级ac/dc转换器，如图1a所示。桥式两级ac/dc转换器包括提供pfc的第一级和调节输出电压的半桥llc谐振转换器。桥式两级ac/dc转换器由于半导体数量的增加、磁性组件设计的改进和开关频率的降低而实现了高效率。然而，桥式两级ac/dc转换器的功率密度随着输入能量被分两步处理而降低，从而在效率上受到限制。桥式两级ac/dc转换器中的组件较多，因此对于小功率应用来说成本较高。桥式两级ac/dc转换器的控制变得复杂。

3、此外，如图1b所示的ac/dc转换器拓扑是桥式单级ac/dc转换器。桥式单级ac/dc转换器集成了二极管桥、升压电感器和llc谐振转换器，以提供pfc功能和输出电压调节。桥式单级ac/dc转换器中的组件较多，因此对于小功率应用来说成本较低。然而，设备额定值高于桥式两级ac/dc转换器是有限制的。。还会出现与低频纹波(100赫兹)有关的问题。在调制控制策略中，自由度本质上是有限的。如图1b所示的桥式单级ac/dc转换器使用用于输出电压调节的非对称占空比控制和脉冲调频控制来调节dc总线电压。

4、如图1c所示的无桥单级ac/dc转换器使用固定频率的非对称占空比控制来提供输出电压调节，没有dc总线调节。需要注意的一点是在无桥配置中的操作，如图1c所示，要求输入二极管(d1、d2)需要快速二极管，而不是低欧姆mosfet。这是因为输入二极管以开关频率脉动，这种行为会使输入滤波器更大，从而增加尺寸和成本。

5、图2a是示出根据现有技术的各种输入电压的占空比的图表。占空比取决于图2a所示的输入电压的大小，在高输入电压期间，占空比变得相当小。小占空比影响可以在图2b中看到出，其中，在高输入电压下可以观察到低效率。

6、

7、图2b是示出根据现有技术的各种输入电压的效率的图表。随着输入电压增大，占空比越小，桥式单级ac/dc转换器的效率就越低。因此，在图2b中，效率变得低至约90％。

8、此外，桥式单级ac/dc转换器和无桥单级ac/dc转换器的操作模式为不连续导通模式(discontinuous conduction mode，dcm)。这种dcm操作会导致更高的输入电流总谐波失真、通过开关的高均方根(root mean square，rms)电流，因此是效率低下的另一个原因。由于快速二极管的成本更高，因此单级ac/dc转换器的成本更高。

9、因此，本发明旨在克服单级ac/dc转换器的概述缺点。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是提供一种ac/dc功率转换器，以使用用于单级ac/dc谐振转换器拓扑的新控制技术来实现宽输入和宽输出电压调节的优势。新的控制技术使用acm控制技术来调节pfc级，使用vfm控制技术来进行dc级调节(输出电压)。通过这种控制，保证了所有操作点的零电压开关(zero voltage switching，zvs)和零电流开关(zero currentswitching，zcs)，同时避免了现有技术方法的缺点。

2、该目的通过独立权利要求的特征来实现。其它实现形式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。

3、本发明的另一个目的是提供一种ac/dc功率转换器。

4、根据第一方面，提供了一种ac/dc功率转换器。该ac/dc功率转换器包括低频半桥开关器件电路(sa、sb)、高频半桥开关器件(s1、s2)电路和控制器。所述控制器包括功率因数校正(power factor correction，pfc)控制级，所述功率因数校正控制级具有用于dc总线电压控制的外环和用于控制转换器占空比的内环。控制器用于生成转换器占空比。所述控制器用于基于转换器增益使所述转换器占空比饱和。所述控制器用于通过利用过零补偿算法，在过零区域周围在所述转换器占空比饱和之后保持所述转换器增益。

5、由于在本发明的情况下也实现了为转换器中所有操作点保证zvs，因此ac/dc功率转换器由于高效率而适合于更高的功率水平。开关谐振级在大大低于谐振频率的情况下操作。zvs仍然保留在开关上，而不会在ac/dc功率转换器的初级和次级侧产生更高的导通损耗。这是因为设计升压电感器的优势在于升压电感器的电流可以低于零或负值，因此在仍然保持zvs方面起着关键作用。在没有硬开关的情况下，开关谐振级在谐振频率以下操作的这种行为使得ac/dc功率转换器有可能具有宽输入(110至230vac)和宽输出(11vdc至20vdc)调节，同时保持高效率。由于宽占空比变化(占空比与输入电压的大小无关)和开关谐振级在谐振频率区域下方和上方的操作，ac/dc功率转换器保持高效率和宽输入/输出电压调节能力，而不会通过输入电压到dc总线电压控制的不同组合损失zvs/zcs。更重要的是，由于dc总线电容器充当功率去耦，所以不需要额外的电路来消除输出中的低频纹波(100hz)。

6、ac/dc功率转换器提供低thd(<10％)、高pf(>96％)、高功率密度和高效率(>95％)。ac/dc功率转换器的thd符合iec d类要求。

7、可选地，ac/dc功率控制器还用于基于所述转换器增益使所述转换器占空比在0.2与0.8之间饱和。

8、可选地，所述ac/dc功率控制器还用于利用所述过零区域附近的所述过零补偿算法来关闭所述低频半桥开关器件电路(sa、sb)，以停止反向功率流。

9、可选地，ac/dc功率控制器还用于在所述占空比饱和之前在所述转换器占空比中使用连续导通模式(continuous conduction mode，ccm)，在所述占空比饱和之后在所述转换器占空比中并且在所述过零区域中使用不连续导通模式(discontinuous conductionmode，dcm)。

10、可选地，ac/dc功率控制器还用于使用变频调制(variable frequencymodulation，vfm)调节输出电压，从而生成开关频率。可选地，控制器还用于将所述开关频率与所述生成的转换器占空比进行比较，以生成用于所述高频半桥开关器件(s1、s2)的高频(high frequency，hf)pwm信号。

11、可选地，所述ac/dc功率控制器还用于基于网格频率利用所述pwm信号控制所述高频半桥开关器件电路的所述开关(s1、s2)和所述低频半桥开关器件电路的所述开关(sa、sb)。

12、可选地，所述ac/dc功率控制器还用于将所述低频半桥开关器件电路的所述开关(sa、sb)设置为在所述dcm模式期间关闭，并设置为在所述ccm模式期间在网格频率(50hz/60hz)的每个半周期内互补打开。

13、可选地，所述ac/dc功率控制器还用于利用所述过零算法，确定箝位电压(vg_clamp)和箝位角度(wt)，用于通过以下公式将所述低频半桥开关器件电路的所述开关(sa、sb)设置为关闭：

14、|vg_clamp.sin(wt)|＝vbus(1-dclamp)

15、

16、其中，vbus、vg_pk和dclamp分别为总线电压、输入电压峰值和箝位占空比，并且基于以下公式缩小所述dcm模式下的所述转换器占空比：

17、

18、其中，lb、fsw和pac分别为升压电感器、开关频率和输入功率。

19、可选地，所述ac/dc功率控制器还用于在所述dcm区域中运行pfc控制，以生成与所述开关频率比较的所述转换器占空比，从而生成所述hf pwm信号。

20、可选地，ac/dc功率转换器还包括包含升压电感器的无桥整流器级以及与开关谐振级耦合的dc总线电容器。

21、可选地，所述开关谐振级包括谐振电感器、谐振电容器和连接到输出同步整流(synchronous rectification，sr)开关(sr1-sr2)的高频(high frequency，hf)变压器。

22、可选地，所述开关谐振级还包括所述高频半桥开关电路的两个开关(s1、s2)和所述低频半桥开关电路的两个开关(sa、sb)。

23、可选地，所述ac/dc功率转换器还包括用于集成pfc+llc级的调制控制器。

24、因此，与现有技术相比，根据该方法和该装置，为可信应用提供具有更高级别的信任保证和隐私的应用级认证。

25、本发明的这些和其它方面在下面描述的实现方式中是显而易见的。